우리 뇌에는 신경세포보다도 훨씬 더 많은 수의 비 신경세포들이 존재하고 이들을 교세포 (glia)라고 부르고 있습니다. Glia는 또 다시 세분화 되어 astrocyte, microglia, oligodendrocyte로 구분되며 뇌의 대부분을 차지하고 있습니다. 이 중 astrocyte는 신경세포의 연결점인 시냅스와 긴밀하게 연결되어 있으며 인간 뇌의 40%를 차지할 정도로 우리 뇌에서 가장 많이 존재하는 세포지만 astrocyte가 수행하는 역할에 대해서는 아직도 많은 연구가 필요한 실정입니다. 저희는 이 astrocyte가 뇌에서 생겨나는 불필요한 시냅스를 포식작용 (phagocytosis)를 통해 제거할 수 있다는 점을 발견했습니다. 기존에는 시냅스가 사라질 때 신경세포 자체적으로 모든 것이 이루어진다고 여겨져 왔으나 저희 연구를 포함한 최근의 결과들을 통해 astrocyte와 microglia들이 이 과정을 직접적으로 조절할 수 있음이 밝혀지고 있는 상황입니다. 따라서 저희 실험실에서는 이들 glia에 의한 뇌 기능/질병 조절이란 큰 주제 하에 다양한 연구가 진행되고 있습니다. 1. 어떻게 교세포가 없어져야 할 시냅스를 인식하고 제거하는지에 대한 분자 기전 연구 2. 이 기전이 생리학적으로 어떠한 기능을 수행하는지에 대한 연구 3. 교세포에 의한 시냅스 소멸을 조절할 수 있는 약물을 개발하고 이들이 다양한 정신병에 응용될 수 있는 지에 대한 연구 4. 알츠하이머 병과 같은 퇴행성 질환에서의 교세포의 역할을 밝히고 이들을 이용한 치료기술 개발

□ Astrocyte를 통한 시냅스 제거와 이로 인한 기억력 유지 규명 (Lee et al., Nature, 2021)

중추 신경계에서 다양한 역할을 수행하는 glia 중 가장 숫자가 많은 astrocyte가 뇌 발달 시기에 시냅스를 먹어서 없앤다는 본 연구진의 선행 연구 결과(Nature, 2013)에 착안하여 연구가 진행되었습니다. 그 결과, 성체 뇌에서도 astrocyte가 불필요한 시냅스를 끊임없이 제거하고 있음을 발견하였으며, 이 현상이 학습 및 기억에 중요한 해마 내 흥분성 시냅스의 회로 유지를 가능하게 한다는 사실을 증명하였습니다. 이전에는 glia의 시냅스 제거 현상을 전자 현미경 또는 시냅스 염색법을 사용해 확인하였습니다. 그러나 이러한 방법은 glia에 의해 먹힌 시냅스가 세포 내 산성 소화기관에서 급속히 분해되기 때문에 잔여 시냅스를 표시하고 관찰하는 데 한계가 있습니다. 이에 연구팀은 시냅스에 산성화 감지가 가능한 형광단백질 조합(mCherry 물질과 eGFP 물질)을 발현시키는 바이러스 기반 시냅스 포식 리포터를 개발하였습니다. 이 형광단백질들은 일반적인 중성 pH 조건에서 원래의 형광 강도를 유지하지만, 세포 속 소화기관 같은 산성 환경에서는 eGFP 물질은 빠르게 분해되어 신호가 사라지고 mCherry 물질은 천천히 분해되어 신호가 유지된다는 특징이 있습니다. 이러한 원리를 활용해, 연구팀은 mCherry-eGFP를 바이러스를 통해 흥분성 및 억제성 시냅스에 각각 발현시켰고 이후 mCherry-eGFP로 표시된 시냅스들과는 달리 glia에 의해 먹힌 시냅스는 mCherry 물질만의 단독 신호로 관찰됨을 확인하였습니다.

 

저희 연구팀은 새로 개발한 방법을 이용해, 기존의 방법으로는 관찰할 수 없었던 현상인 astrocyte가 성인 해마에서 시냅스를 지속적으로 제거하며 특히 흥분성 시냅스를 더 많이 제거하고 있음을 발견하였습니다. 놀랍게도 저희 연구팀은 뇌의 면역세포라 불리는 microglia보다 astrocyte가 주도적으로 정상 해마의 흥분성 시냅스를 제거하고 있음을 확인하여 microglia가 시냅스를 제거하는 주된 세포일 것이라는 기존의 학설을 뒤집었습니다. Microglia를 인위적으로 제거하였을 때는 흥분성 시냅스의 수가 변하지 않았지만, 해마의 astrocyte가 시냅스를 먹지 못하도록 유전자 조작을 하였을 때는 비정상적인 시냅스가 과도하게 급증가하고 정상적인 해마 신경 회로의 기능과 기억 형성 능력이 떨어진다는 것을 처음으로 관찰한 것입니다. 게다가 유전자 변형을 통해 astrocyte의 시냅스 제거 작용을 억제한 생쥐에서는, 해마 내 시냅스 연결 가소성과 기억 형성에 문제가 생김을 발견하였습니다. 이는 불필요한 시냅스들을 astrocyte가 제거하지 않는다면 뇌의 정상적인 학습과 기억 능력이 유지될 수 없다는 것을 의미합니다.

 

□ Microglia가 억제성 시냅스를 제거하는 분자 기전 규명 (Park et al., EMBO J, 2021)

Microglia가 주로 제거하는 게 흥분성 시냅스가 아니라 억제성 시냅스임을 밝히고 이 현상이 시냅스표면에 시냅스의 세포막에 있는‘인지질(Phospholipid)’ 중의 하나인 포스파티딜세린 (Phosphatidylserine)이‘eat-me’ 신호로 작용하여 이루어진 다는 사실을 최초로 밝혔습니다.

이 연구는 포스파티딜세린이 죽어가는 세포 표면에 선택적으로 표지돼 면역세포에 의해 세포를 잡아먹도록 유도한다는 사실에 착안하였습니다. 죽어가는 세포가 제거되는 분자 기전이 시냅스만이 선택적으로 제거되는 현상에도 응용될 수 있을 것이라 예상한 것입니다. 이 가정을 증명하기 위해 연구진은 포스파티딜세린을 신경세포 표면에 인위적으로 노출한 후, 특정 시냅스가 교세포에 의해 잡아먹힐 수 있는지 연구하였습니다.

먼저 본 연구진은 포스파티딜세린을 항상 세포 표면으로부터 안으로 지속적으로 불러들여 정상 세포막에서 이들을 노출되지 않도록 막고 있는 플립파아제(Flippase)라는 단백질의 기능을 신경세포에서만 억제할 수 있는 실험용 쥐 모델을 제작하였습니다. 그 결과 놀랍게도 신경세포의 세포체 주변의 표면에서만 선택적으로 포스파티딜세린이 표지됨을 발견했고 이로 인해 세포막이나 흥분성 시냅스의 손상 없이 억제성 시냅스만이 선택적으로 감소함을 발견했습니다. 그뿐만 아니라 해당 쥐 모델은 청각을 담당하는 뇌 지역에서 흥분-억제 균형이 깨져서 소리로 인해 촉발되는 특이한 발작 증세를 일으킴을 확인하였습니다. 더 나아가 본 연구팀은 microglia를 인위적으로 제거하거나 microglia에 존재하는 특정 포식 수용체를 제거했을 때, 신경세포의 표면에 포스파티딜세린이 표지되었을지라도 과도한 억제성 시냅스 감소와 발작 증세가 방지될 수 있음을 발견했습니다.

 

이로써 신경세포체 주변 세포막에 포스파티딜세린이 표지되는 것이 microglia가 포식 수용체를 통해 억제성 시냅스만을 선택적으로 먹는 기전으로 쓰일 수 있음을 최초로 규명한 것입니다. 또한 본 연구팀의 이 같은 발견은 흥분성 및 억제성 시냅스가 서로 다른 기전을 통해 microglia에 의해 제거될 수 있음을 처음으로 제시한 것이며, microglia에 의한 과도한 억제성 시냅스 제거 기전이 뇌 신경세포의 흥분-억제 불균형 발생의 새로운 원인이 될 수 있음을 증명한 것입니다.